基于設施農(nóng)業(yè)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設計

凌啟東 王鴻磊 高 媛

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 徐州 221140）

0 引言

設施農(nóng)業(yè)作為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標志，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)緊密結(jié)合，對充分利用農(nóng)業(yè)資源、降低農(nóng)產(chǎn)品成本、改善生態(tài)環(huán)境、提升農(nóng)產(chǎn)品安全保障發(fā)揮了很大的作用，有效提升了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)集約化和精細化程度，近年來發(fā)展迅速，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向。

如何將植物的生長情況、土壤的具體成分和植物的生長環(huán)境（空氣、水分、溫度、日照等）信息及時掌握，對于我們更好的實施設施農(nóng)業(yè)工程起著至關(guān)重要的作用，因此對于農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的信息采集和智能控制是設施農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，是我們研究的重要方向。傳感器節(jié)點采集現(xiàn)場各種農(nóng)業(yè)現(xiàn)場信息，通過無線局域網(wǎng)、有線網(wǎng)絡傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)將信息處理后傳輸?shù)胶笈_控制服務器，用以作為分析農(nóng)作物生長情況和調(diào)整農(nóng)業(yè)措施的根據(jù)。目前在這方面的農(nóng)業(yè)溫度檢測系統(tǒng)研究較多[1-2]，例如，陳智偉等人設計了一種基于CC2430 的農(nóng)業(yè)溫度控制系統(tǒng)[1]，通過zigbee 網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)溫室相關(guān)參數(shù)的采集及一些基本的控制。但是在網(wǎng)關(guān)采用串口與上位機連接，限制了信息傳輸速率，且沒有考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中控制室不會一直有人值守的實際情況，限制了實際的應用效果。為此，本文提出了一種針對設施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，選擇自帶MAC 控制器和CAN 控制器的STM32 處理器，擴展了移動通信控制模塊，簡化了電路設計，減少了系統(tǒng)的復雜度，確保了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 網(wǎng)關(guān)設計的重要性

網(wǎng)關(guān)在設施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，要協(xié)調(diào)上位機和下位機關(guān)系。網(wǎng)關(guān)的主要功能：一，負責接受下位機或者節(jié)點的采集信息數(shù)據(jù)，或者接受上位機的控制信息；二，對于接受到的信息進行處理，根據(jù)不同的目的地進行封裝；三，當信息傳輸繁忙時，根據(jù)信息優(yōu)先級進行按序轉(zhuǎn)發(fā)；另外，網(wǎng)關(guān)的設計還需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴展性。

2 硬件系統(tǒng)設計

根據(jù)設施農(nóng)業(yè)的需求，設計了一種嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要由GPRS模塊、ZigBee 模塊、以太網(wǎng)接口模塊、CAN 接口模塊、鍵盤電路報警電路等部分組成。嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

考慮到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力要求較高，選用32 位處理器STM32F107VC，芯片工頻72MHz，高達256K 字節(jié)的片上閃存和64K字節(jié)的SRAM，芯片攜帶有1 路10/100M 以太網(wǎng)接口，2 路CAN 通道，5 個UART 接口；還含有ADC、DAC、US 等豐富的外設資源[3]?？梢苑€(wěn)定地進行數(shù)據(jù)處理和通信，同時也能保證嵌入式操作系統(tǒng)的運行。

2.1 ZigBee 模塊的設計

圖2 ZegBee 功能模塊

ZigBee 技術(shù)作為新興的一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡通信標準，具有低功耗、低延遲、自組織等優(yōu)點[4]，近年來開始逐漸應用到設施農(nóng)業(yè)中，由于其突出的低功耗特點，節(jié)點電池的使用壽命可以達到6～24 個月，完全可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的需要。為了與ZigBee 網(wǎng)絡無縫對接，網(wǎng)關(guān)選用TI 公司的CC2530-F256 芯片實現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡功能，芯片帶有256KB 的flash 空間和8KB RAM，將無線通信模塊和處理器系統(tǒng)集成，其電路設計如圖2 所示。

2.2 GPRS 模塊的設計

圖3 GPRS 通信模塊

GPRS 是在GSM 全球移動通信網(wǎng)絡之上發(fā)展起來的一種新的承載業(yè)務，為用戶提供高速的分組數(shù)據(jù)業(yè)務的一種的網(wǎng)絡[5]。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計了GPRS 通信模塊，與移動平臺的通信，實現(xiàn)無人值守情況下對生產(chǎn)現(xiàn)場的及管理。GPRS 模塊選用SIEMENS 公司的SIM900D 芯片，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。GPRS 通信模塊電路如圖3 所示，主要包括串口通信電路、SIM 卡電路、天線電路等。SIM900D 通過串口通信電路從STM32 接收待發(fā)送信息，通過天線電路發(fā)送至移動網(wǎng)絡。

2.3 其他模塊的設計

在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中設計了以太網(wǎng)通信模塊和CAN 通信模塊，STM32F107VC 內(nèi)部集成了專用DMA 的MAC 模塊，選用PHY 芯片控制器DP83848，實現(xiàn)與上位機平臺進行以太網(wǎng)通信。STM32F107VC 內(nèi)部都集成了CAN 控制器，選用芯片CTM1050T，設計CAN 驅(qū)動電路，實現(xiàn)CAN 通信功能，擴展系統(tǒng)的接入。另外，主節(jié)點設計了電源模塊、存儲電路、鍵盤電路、聲光報警模塊等。

3 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的軟件設計移植了嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II，主要修改了與處理器相關(guān)的幾個文件：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM等。將系統(tǒng)的具體實現(xiàn)功能劃分任務，確定任務優(yōu)先級，系統(tǒng)按照優(yōu)先級對任務進行調(diào)度，提高了系統(tǒng)的性能和實時性的要求。

4 結(jié)語

本文設計了一種基于STM32 的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，主要應用于設施農(nóng)業(yè)中，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的下位機與控制室的上位機之間的通信，保證了對了農(nóng)業(yè)現(xiàn)場情況的精確掌握和實時控制，為國內(nèi)外農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系建設提供借鑒。

［1］陳智偉，蘇維均，等.基于WSNs 的農(nóng)業(yè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(7)：82-85.

［2］王軍，孫健程，等.基于ZigBee 的蔬菜大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].計算機工程與設計，2013，34(3)：1126-1130.

［3］STMicroelectronics.STM32F107xx datasheet[DB/OL].http：//www.st.com，2010.

［4］尹慧琳，王磊，等.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點分布式信息融合算法研究[J].計算機工程與應用，2007，43(173)：18-20.

［5］潘端云.安全駕駛車載終端系統(tǒng)設計[D].南京：南京工業(yè)大學，2013.